Двумерные дихалькогениды металлов позволят создать тонкопленочные лазеры
 Руководитель группы в лаборатории. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Механические и электронные свойства двумерных материалов существенно отличаются от их трехмерных аналогов, поэтому такие структуры могут найти применение в целом ряде новых устройств. До сих пор, однако, большинство исследований в этом направлении было сфокусировано на наиболее известном двумерном материале – графене (листах атомов углерода, образующих двумерную гексагональную решетку). Проблема графена в том, что этот материал не имеет прямой запрещенной зоны для носителей заряда (между валентной зоной и зоной проводимости). Надо отметить, что ширина запрещенной зоны имеет важное значение для электроники, поскольку она позволяет использовать материал для включения и выключения потока электронов, а также для излучения света в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Это привело исследователей к поиску иного кандидата на роль заменителя кремния в полупроводниковой электронике среди двумерных материалов.
Среди наиболее перспективных двумерных материалов стоит отметить дихалькогениды переходных металлов. Эти ван-дер-ваальсовы материалы имеют химическую формулу MX2, где M – это переходной металл (например, молибден или вольфрам), а X – халькоген (например, сера или теллур). В отличие от своих трехмерных аналогов, являющихся полупроводниками с непрямой запрещенной зоны, двумерные пленки дихалькогенидов переходных металлов – проводники с прямой запрещенной зоной. Также надо отметить, что монослой этого материала эффективно поглощает и испускает свет, поэтому он может быть использован для создания различных оптоэлектронных устройств, к примеру, светоизлучающих диодов, солнечных элементов или высокочувствительных детекторов света.
Группа ученых из University of Sheffield (Великобритания), а также их коллеги из Manchester University, Oxford University и Российской Академии Наук, смогли существенно (до 60 раз) увеличить количество света, излучаемого одним монослоем MoS2, разместив пленку дихалькогенида между двумя зеркалами с высокой степенью отражения.
Тонкие слои MoS2 для своей работы ученые получили с помощью известной методики «липкой ленты», изначально применявшейся для получения графена из трехмерного образца графита. Методика подразумевает отделение одиночных атомных слоев от объемного материала. В рамках проведенного эксперимента свет, излучаемый MoS2, оказывается ограничен двумя зеркалами, в результате чего увеличивается взаимодействие между двумерной пленкой и фотонами сгенерированного излучения. Следствием этого взаимодействия становится повышение интенсивности излучения. Но это еще не все. Генерируемый таким устройством свет ограничен узкой спектральной полосой (называемой модой резонатора).
В эксперименте ученые использовали два независимых набора устройств для позиционирования зеркал с точностью до нанометров. Это позволило точно измерить расстояние между ними и контролировать частоты моды резонатора простым перемещением зеркал.
Данная работа впервые показала, что светом однослойных пленок можно управлять, корректируя параметры микрорезонатора. Если исследователям удастся улучшить качество используемых материалов и оптимизировать дизайн структуры, они смогут создавать на их основе разнообразные устройства.
В ближайшей перспективе научная группа планирует сделать устройство, в котором излучаемый свет снова поглощается монослоем материала, прежде чем выйти из системы через частично отражающее зеркало. Сильное взаимодействие света и вещества поможет изучить некоторые фундаментальные физические свойства подобных структур.
Детали работы опубликованы в журнале Nano Letters.
Также по теме:
- Двумерные полупроводниковые монослои могут излучать больше света
- Ученые нашли способ открыть запрещенную зону в фосфорене
- Предложена техника обхода проблемы расчета контактного сопротивления в двумерных устройствах
- Ученые обнаружили дихалькогенид со свойствами монослоя
- Интеркалирование позволяет настроить плазмонные свойства
Источники: